[發明專利]一種用于骨折手術機器人的力學調控仿真系統

有效

• 申請號: 202110693152.4
• 申請日: 2021-06-22
• 公開（公告）號: CN113435082B
• 公開（公告）日: 2022-04-01
• 發明（設計）人: 晉嘉浩;孫濤;馬信龍;張弢;倪沫楠;宋軼民
• 申請（專利權）人: 天津大學
• 主分類號: G06F30/23
• 分類號: G06F30/23;G06F30/17
• 代理公司: 天津市北洋有限責任專利代理事務所 12201
• 代理人: 李素蘭

1.一種用于骨折手術機器人的力學調控仿真系統，其特征在于包括：

模型處理模塊，所述的模型處理模塊用于讀取骨折區域的術后CT影像，將CT影像導入mimics軟件進行閾值分割，把感興趣的模型部分分割成一個蒙版，然后將該蒙版重建成蒙版三維模型，在蒙版三維模型上采用mimic軟件內部的測量功能進行包括骨折間隙、血腫區域的高度、脛骨的長度、髓內管的半徑、皮質骨的半徑、血腫區域的半徑在內的變量值測量，以測量得到的變量值作為模型關鍵字參數建立二維模型，并在二維模型中皮質骨的頂端施加軸向力載荷，再利用Python語言編寫Abaqus的二維模型cae分析文件；

數值分析模塊，數值分析模塊首先利用python語言為模型處理模塊輸出的二維模型cae文件中的模型進行網格劃分，將劃分好的網格區域通過人工識別劃分為三個區域：中央骨痂模型區域、骨髓模型區域、皮質骨模型區域，然后為中央骨痂模型區域的網格單元設定纖維材料屬性，骨髓模型區域的網格單元設定骨髓材料屬性，皮質骨模型區域的網格單元設定皮質骨材料屬性，得到一個新的二維模型cae文件，再采用Abaqus中土力學滲流耦合方法對該新的二維模型cae分析文件進行處理得到新的二維模型的odb有限元分析結果文件，該odb有限元分析結果文件包含二維模型所有網格單元的主應變、流體流速和所有節點的位移和支反力；所述的材料屬性包括：楊氏模量、滲透率、泊松比、孔隙度、固體和流體壓縮模量；

力學刺激效果模擬模塊，所述的力學刺激效果模擬模塊首先利用Python語言編寫的腳本提取數值分析模塊得到的odb有限元分析結果文件中中央骨痂模型區域所有網格單元的主應變和流體流速，并計算得到中央骨痂模型區域每個網格單元的成骨指數s；再利用Python語言編寫的腳本打開數值分析模塊中得到的新的二維模型cae文件，根據每個網格單元的成骨指數s修改該網格單元的材料屬性， 若0s0.0106，則將該網格單元的材料屬性改為骨吸收材料屬性，若0.0106≤s0.02667則將該網格單元的材料屬性改為成熟骨材料屬性，若0.02667≤s1，則將該網格單元的材料屬性改為未成熟骨材料屬性，若1≤s3，則將該網格單元的材料屬性改為軟骨材料屬性，若3≤s，則將該網格單元的材料屬性改為纖維材料屬性，得到一個修改后的cae文件；

聯合仿真處理模塊，所述的聯合仿真處理模塊包括力學刺激矯正子模塊和自動仿真流程控制子模塊；

所述的力學刺激矯正子模塊首先利用Python語言編寫的腳本提取數值分析模塊得到的odb文件中皮質骨底端所有節點的支反力和位移，并取所有節點中的支反力和位移的最大值，保存成一個excel文件；然后利用位移的最大值計算中央骨痂模型區域的微應變，最后利用Python語言編寫的腳本打開力學刺激效果模擬模塊得到的新的二維模型cae文件，修改其中施加在皮質骨頂端的載荷值為新載荷值；

所述的自動仿真流程控制子模塊利用matlab編寫程序設定循環次數n，然后依次連接模型處理模塊、數值分析模塊、力學刺激效果模擬模塊以及聯合仿真模塊形成一個迭代周期并且進行n次循環，在每一次仿真循環過程中聯合仿真模塊中的力學刺激矯正子模塊都會生成一個保存本次迭代皮質骨底端所有節點中最大支反力和最大位移的excel文件；

當循環結束時，利用Python語言編寫的腳本打開n次循環中生成的所有excel文件，利用所有excel文件的保存結果繪圖，第一幅圖為皮質骨最大支反力隨迭代次數的變化圖，其橫軸為迭代的次數，縱軸為本次迭代對應的支反力最大值；第二幅圖為皮質骨最大位移值隨迭代次數的變化圖，橫軸為迭代的次數，縱軸為本次迭代對應的位移最大值。